基于GPS的云南地区活动地块现今运动及应变特征分析

王伶俐 邵德盛 施发奇

（中国昆明650041云南省地震局）

0 引言

地震是地壳岩层在区域应力场作用下，当岩层所受的累积应变能达到一定程度，岩层发生破裂和错动而产生的（赵小茂等，2005）。云南处在欧亚、太平洋和印度3大地质板块碰撞汇聚地带，青藏高原东南边缘，位居中国—东南亚次级板块中西部，跨扬子、华南、印支及滇缅泰4个亚板块（申重阳等，2002），其地壳变动剧烈，新构造活动强烈，活动断裂发育，是我国活动地震构造区之一和重点监视强震活动区。地震与区域构造应力的作用密切相关，研究云南区域构造运动变形特征及区域应力状态，对认识构造变形和了解地壳构造的动力作用过程，捕捉与认识孕震信息，以及活跃期内的强震预测具有重要意义。

利用GPS 监视现今地壳运动，特别是利用GPS观测数据计算地应变率，在大陆动力学研究中发挥着越来越重要的作用。至今对比研究已取得许多重要成果。李延兴等（2001，2004）综合考虑块体旋转和块体内部变形，提出刚体旋转和块体应变模型，并分析了中国大陆及周边地区的水平应变场特征。黄立人等（2003）利用刚体运动+块体均匀应变+局部变形的模型描述了中国大陆的活动和变形。顾国华等（2001）利用1998年和2000年的GPS数据分析了中国大陆地壳水平运动基本特征。吕江宁等（2003）利用1998—2001年的GPS资料，采用刚体模型和GPS速度剖面方法，得到在东部相对稳定的华南地块的阻挡下，川滇块体东移时沿鲜水河—小江断裂带由东转向南运动，从而引起川滇块体内部各次级块体的顺时针转动的结论。乔学军等（2004）根据1998—2002年的GPS资料，采用刚体模型，揭示了川滇地区的地壳运动速度具有北强南弱、西强东弱、以菱形块体为主顺时针旋转的特征。

上述研究成果主要以大尺度为主，采用的基础研究多基于2007年以前的GPS数据。从研究区域来看，前人的研究对象大多是针对川滇菱形块体，而且研究结果主要集中在一级活动地块及边界带活动和变形特征描述。对云南地区的活动块体特别是次级块体的划分以及形变特征研究尚不充分。近几年由于“中国大陆构造环境监测网络”项目的实施，使得该区拥有了点位分布比较密集且均匀的水平形变监测网，并陆续开展了监测工作。2013年10月，最新一期的陆态网络区域网联测工作完成。本文对2009—2013年3期GPS复测资料进行数据处理，建立云南地区现今地壳水平运动速度场。综合云南地区现今水平运动的分区论述，进行合理块体划分，以GPS速度场为约束，建立块体的整体旋转与均匀应变模型（REHSM），求解各活动块体的运动以及应变参数，以求揭示云南地区现今地壳水平运动与变形特征。

1 GPS观测与数据处理

“十一五”期间，由中国地震局牵头的国家重大科学工程项目“中国大陆构造环境监测网络工程”启动，在全国范围内进行高密度、大范围的GNSS观测。该项目在云南省内共建成27个基准站和176个区域站，覆盖云南大部地区跨越了澜沧江、红河和小江等主要活动断裂带。目前，具有复测资料3期，资料采集时间分别为2009年3—10月、2011年4—10月、2013年4—10月、每期每个测点的观测时间长度均不少于90小时。笔者采用美国麻省理工学院（MIT） 的GAMIT/GLOBK软件对观测数据进行处理，软件版本10.5。解算过程可分为GAMIT预处理和GLOBK后处理。

GAMIT数据预处理时，通过IGS的全球跟踪站作“桥梁”，将区域站点以很高的约束强度纳入全球GPS网络，从而获得全球统一参考框架中的坐标。数据处理选取中国及周边部分IGS跟踪站（HYDE、BJFS、IRKT、PIMO、GUAO、TSKB、USUD、KUNM、IISC、WUHN、TWTF、LHAZ、URUM、SHAO、KIT3）与云南省内的测站联合解算，其中的IGS站强约束（水平方向0.005—0.020 m、垂直方向0.020—0.050 m）于IERS （International Earth Rotation Service）公布值。基准点松弛约束（水平方向1 m、垂直方向1 m）于其先验值。通过GAMIT预处理获取每个测站的单日松弛解。

利用GLOBK将GAMIT处理得到的单日松弛解和SOPAC （ Scripps Orbital and Permanent Array Center）给出的全球IGS站的单日松弛解合并，并对全部单日解进行整网平差，获得测站相对于ITRF2008框架下的坐标和速率结果。

为了解GPS 测得的地壳运动结果的可靠性，必须给出必要的精度分析或统计检验。解算结果的精度通常采用基线的重复性来衡量（王敏等，2005）。基线重复性的计算公式如下式中： Ci为各时段解基线的各分量，为相应分量的协方差，c 为相应基线分量的加权平均值，R为相应的重复性。

为了得到固定误差和比例误差，利用基线重复性结果，采用一元线性回归的最小二乘法，对各分量的固定误差和比例误差进行线性拟合，得到2009年、2011年、2013年基线向量重复性在水平方向上优于2.5 mm±3.18×10-9，垂直方向优于6 mm±3.73×10-8，达到地壳运动监测需求。

为了更好反映研究区域内部的构造变形，结合实际，在ITRF2008框架基础上，利用欧亚板块稳定部分作为测站速度计算的参考框架，得到云南地区相对于稳定欧亚板块的GPS水平速度场（图1）。具体操作是，选取KOSG、ONSA等10个分布在欧亚板块上较为稳定的IGS站，构建稳定欧亚板块，经过相对欧亚板块的最佳欧拉旋转后，水平速度残差均小于1.5 mm/a。

图1 云南地区相对欧亚板块的GPS水平速度场（2009—2013年）Fig.1 GPS-derived horizontal velocity fi led relative to Eurasia plate inYunnan area （from 2009 to 2013）

2 云南地区现今水平运动分区与运动—应变模型

块体运动是中国大陆新构造和现代构造变形的主要表现形式。为了更好地研究云南地区地壳运动变形特点，需要进行地质块体的划分。从大地构造及GPS等角度，可以通过2种方法划分川滇地区活动块体（骆佳骥等，2012）：①划分为4个一级块体，包括巴颜喀拉块体、川滇菱形块体、滇东块体和滇西南块体（杜方等，2005）；②划分为5个一级块体，其中巴颜喀拉块体、川滇菱形块体和滇东块体的划分与前一种基本一致，不同的是，将滇西南地区划分为两个一级块体，并且有2种不同划分方案：以怒江—澜沧江断裂为界划分为印支块体和腾冲—保山块体（阚荣举等，1992；宋芳敏等，1998；苏有锦等，2001）；以腾冲—澜沧断裂带为界划分为保山—普洱块体和密支那—西盟块体（向宏发等，1986；徐锡伟等，2003）。参照阚荣举等（1992）的观点，将云南地区划分为滇中、滇东、印支以滇缅泰4块，并综合云南地区现今水平运动的分区论述，在上述一级块体划分的基础上将云南划分腾冲块体、保山块体、兰坪—思茅弧后盆地、盐源—丽江陆缘坳陷、滇中坳陷、康滇古隆起、滇东坳褶带等7个二级构造单元（皇甫岗等，2010）。

应变率是地壳形变、地球动力学和地震危险性分析的重要基础，当前应变率计算方法较多，根据采用的数据和解算的方法不同，结果也存在一定差别，但对中国大陆现今形变场的总体把握是一致的。本文采用李延兴等（2001，2004）块体整体旋转与均匀应变模型（REHSM）。REHSM模型（李延兴等，2001）认为块体包括刚性旋转和块体内部变形，且内部变形是均匀的，观测点的运动速度为由块体的刚性旋转引起的速度与均匀变形引起的速度之和。具体公式为

其中，υE和 υN分别表示测站的东方向和北方向速率；λ和φ分别表示测站的经度和纬度；r为地球半径； λ0和φ0分别表示块体几何中心的纬度和经度；ωx、ωy和ωz分别代表块体欧拉运动矢量的三分量，εE、εN和εEN分别代表块体东方向和北方向的正应变率以及剪应变率。将块体欧拉运动矢量以式（4）予以表示，其中，λ和δ分别为欧拉极的经度和纬度；Ω为角速率。

通常，为了清楚方便地了解块体内部应变情况，需进一步计算应变率的最大主压应变率及其方位角等参数，计算公式见式（5），其中，ε1和ε2分别为最大主压应变率和最大主张应变率；A为最大主压应变率的方位角；γmax为最大剪应变率；Δ为面应变率。

以计算得到的云南区域测站基于欧亚框架的GPS速度场为约束，采用REHSM模型计算各活动块体的运动参数和应变参数，为了研究地块的整体活动性，计算过程中假设地块为刚性块体，以地块内测站的重心速度代表地块的整体运动速度，但由于地块构造活动并非均一，为了尽可能反映地块的整体运动趋势，在实际计算中舍弃了位于地块内部断层附近GPS站点。具体作法如下。

（1）选取 F357、H088、H089、H101、H119、H125等 27个测站代表滇东地块，选取H162、H163、H178、H193、207、H206、等 20个测站代表保山地块，选取 H129、H130、H113、H114、H116等 15个测站代表滇中坳陷，选取 H194、H197、H200、H212、H213、H217等10个测站代表腾冲块体，选取H152、H153、H158、H176、H177、H191、H196等33个测站代表印支板块，选取H106、H107、H117、H123、H124、H188等24个测站代表盐源—丽江陆缘坳陷，选取F358、F361、H154、H164、H165、H170等12个测站代表华南块体。

（2）根据（1）中块体划分情况，以GPS速度场为约束，根据式（3），将REHSM模型转换为间接平差函数模型，按最小二乘原理，用求自由极值的方法解出参数的最或然值，进而求得各观测值的平差值。计算得到各活动块体的运动参数和应变参数见表1。

表1 活动块体模型参数计算结果Table 1 Block model parameter calculation results

（3）依据公式（4）、（5），计算得到各个块体欧拉极的经度Λ、纬度Φ、角速率Ω等运动以及最大主应变率γmax及其方位角A等参数，采用地块重心E、N方向的速度矢量，代表整个地块相对于稳定欧亚板块的运动速率υ和方位角α，结果见表2。

表2 云南地区活动块体运动速率和应变率结果Table 2 Movement and strain rate results of active blocks in Yunnan region

3 主要块体活动分析

块体模型结果显示：云南地区华南地块，滇东块体的主要受SE向压应力场控制，到滇中地块转为SE—SSE方向，滇西北地区应力场方向为SSE方向，滇西南的印支地块为NNW向，滇西南的腾冲—保山地块主要受NE—NNE向应力场控制。云南地区各次级块体在欧亚框架下的运动方向逐渐由SSE向SSW变化，有顺时针旋转的特征，运动幅度由西向东、由北向南逐渐减弱，菱形块体外各个块体运动速度大幅衰减。这种运动形式正是印度板块与欧亚板块碰撞、印度板块北移引起的板块边缘或内部局部变形和块体向东逃逸受阻引起的应变响应。正是这种区域构造应力的作用控制了云南及其邻区的主要断层活动及强震活动。

3.1 滇东块体

滇东块体位于华南应力区，运动速度为6.22 mm/a，运动方向与华南地块相近，为E37.53°S；主压应变率为-20.67×10-9/a，其方向近似为W38.02°N；主张应变率为13.48×10-9/a。与谢富仁等（2004）推测得到的NWW主压应力优势方位结果一致。

3.2 滇中地区

滇中地区指“川滇菱形块体”的南部地区，在地质上为一个相对独立的地质单元。从当前运动状态来看，该区域运动有明显的分群现象。笔者将川滇交界部分点位计算得到应变参数显示，该区整体优势运动为10.78 mm/a，方向为E51.44°S。主压应变率为-32.71×10-9/a，应力方向为E38.20°S，最大剪切应变率为25.25×10-9/a，与程万正等（2003）由大量震源机制解的P轴优势分布推测的北北西压应力场方向一致。该单元相对于滇东地块的运动矢量为4.97 mm/a，方向S21.1°E，反映出安宁河—则木河的左旋走滑特征。

康滇古隆起继续保持着“川滇菱形块体”现代运动所固有的运动模式。该单元现今优势运动为8.30 mm/a，S18.44°E。主压应变率为-31.40×10-9/a，应力方向为NE138.29°，最大剪切应变率为35.37×10-9/a。该单元相对于滇东地块的运动矢量为4.69 mm/a，方向S29.5°W，发映出小江断裂带的左旋走滑兼挤压运动特征。

滇中坳陷单元的运动是以北东向的拉张性变形为主，主张应变率为31.68×10-9/a，主压应变率不显著，与滇中地区主压应力方向相近。此外，面应变较显著，达27.82×10-9/a，是云南各个块体中面应变显著区域。该单元的优势运动为9.74 mm/a，方向NE164.86°。相对于康滇古隆起地块现今运动结果来看，两者之间几乎没有差异运动。两个次级构造单元内分布多条具有一定规模的南北向断裂构造。从两者的运动矢量可见，这些断裂基本没有明显的活动。

图2 云南地区活动块体运动速率及主应变率（2009—2013 年 ）Fig.2 Horizontal velocity and principal strain rate chart of active blocks in Yunnan region （from 2009 to 2013）

3.3 滇西北地区

位于扬子板块西端的盐源—丽江陆缘坳陷单元优势运动为10.16 mm/a，运动方向NE163.84°。主压应变率为-15.88×10-9/a，方向S16.57°E，主张应变率为22.94×10-9/a。结果与谢富仁等（1993）描述的滇西北中甸、丽江、大理一带主要受SE、SSE向应力场控制的结论一致。

3.4 滇西南地区

滇西南地区的构造应力场比较复杂，同时受不同应力分区的影响，应力场特征很难给出一致结论。不同应力分区结果对滇西南地区的应力场特征描述也有所不同。

印支块体属于印支板块（宋方敏等，1998；胡家富等，2003，2005；乔学军等，2004），位于红河断裂带与澜沧江断裂带之间，阚荣举和韩源（1992）称其为兰坪—思茅盆地。从应变参数计算结果看，印支块体以东西向拉张性变形为主，主张应变率为20.36×10-9/a，主压应变率为-4.80×10-9/a，说明拉张应力场控制该区域。钱晓东等（2011）求解震源机制解发现，P轴水平分量既有较大的也有较小的，但T轴小分量较少，表明该区以拉张应力场为主。计算结果显示，该区主压应力方向为S12.78°E，与阚荣举等（1977）和王绍晋等（2005）主压应力优势方位为南南东—南东的结论一致。

块体内构造复杂，既有南北向的断裂带，又有北东向的活动断裂，虽然整个地块的运动速度为8.12 mm/a，优势运动方向为近SN向，但块体上GPS点位的运动方向离散性很大，有待进一步研究。从现今地壳运动与变形看，该地块的活动比较强烈。速度场结果显示：各点水平运动方向变化有序，靠近红河断裂带点的优势运动方向大多数为SSE向，基本上平行于红河断裂，随着点的距离增加，逐步变为SN向；红河断裂北段被多条NNW向断裂切割，表现出与其他部位明显的差异运动，站点的优势运动方向大多为SSW向。此外，从平行于红河断裂的运动看，若不事先给出红河断裂带的位置，很难确定该断裂位置。因为从速度场图上看不到断裂两侧有较明显的差异运动。该块体相对于滇中坳陷单元的差异运动矢量为1.73 mm/a，方向为N33.7°W，体现了红河断裂的右旋走滑特征，相比小江断裂而言，其“边界”作用并不明显。

腾冲—保山块体是腾冲块体和保山块体的联合体，属于滇缅泰板块，胡家富等（胡家富等，2003，2005）称其为滇缅泰块体。印支块体与腾冲—保山块体的分界是怒江—澜沧江断裂（苏有锦，秦嘉政，2001）。又以怒江断裂以及龙陵—瑞丽断裂带为界，划分为保山和腾冲两个次级单元。从速度场的结果清楚可见：靠近澜沧江断裂带点的活动性强，随着点的距离增加，逐步减弱，优势运动方向大多数从SN转至SSW向。

保山地块的优势运动为6.74 mm/a，方向S16.53°W，主压应变率为-17.97×10-9/a，应力方向为S19.81°W，主张压应变率为29.69×10-9/a，最大剪切应变率为23.83×10-9/a。与阚荣举等（1977）和王绍晋等（2005）所获得的NNE—NE主压应力方向一致。该地块相对于印支的运动差异为2.67 mm/a，方向W28.2°N，体现了澜沧江断裂的右旋走滑特征。

腾冲地块的优势运动为4.82 mm/a，方向S32.6°W，主压应变率为-12.28×10-9/a，应力方向为近SN向。该地块相对于保山块体之间的差异运动体现了龙陵—瑞丽断裂的右旋走滑及拉张特征；由于腾冲地块上GPS点位较少，且点位分布不均，主要断层的活动特征还有待研究。

4 结论

本文利用GAMIT/GLOBK软件对陆态网络区域网最近3期联测数据进行处理，得到云南区域以及川滇交界部分相对于稳定欧亚框架的速度场；将云南地区划分为4个一级地块并7个次级构造单元，以GPS速度场为约束，建立各个块体的运动—应变模型。结果表明：云南各活动块体由东至西运动方向逐渐由SSE—SN—SSW向变化。表现出以菱形块体为主顺时针旋转的特征，且菱形块体外各个块体运动速度明显衰减。从应变率参数结果看，华南地块、滇东块体的主要受SE向压应力场控制；滇西北地区，应力场方向为SSE方向。到滇中地块转为SE—SSE方向；滇西南的腾冲—保山地块主要受NNE—NS向应力场控制；滇西南的印支地块主要受NS—NNW向应力场控制。结果与前人研究一致（王绍晋等，2005；崔效锋等，2006）。

则木河、小江断裂带受川滇菱形块体SE—SSE向应力场作用，同时受到来自滇东块体、华南地块的NW—NWW向应力场作用，使其作左旋运动；走滑速度约5.0 mm/a，活动性强；红河断裂受到川滇菱形块体SE—SSE方向和滇西南NNW方向应力场作用，呈右旋运动特征，虽同为川滇菱块的分界线，但是滑动速率偏小，仅1.73 mm/a，其“边界”作用并不明显。依据块体应变方法，计算得到断裂滑动速率结果，与前人所得结果（Shen et al，2005；王阎昭，2008）相比略有差异，尤其是川滇菱块边界的则木河，小江断裂带。究其原因是：①本文采用2009—2013年陆态网络区域网联测资料，而前人采用2009年以前观测资料，由于时间跨度以及GPS点位分布密度不同，加之采用分析方法及模型的差异，导致结果略微不同；另外，2008年发生汶川地震，位于川滇菱块边界断裂在川滇地区地壳运动格局中的作用不容忽视。因此，我们是否可以推断，此差异可能与汶川地震引起大范围调整有关。

由于采用的GPS资料的时间跨度以及GPS点位分布密度有限，加之GPS数据中块体运动信息与非块体运动信息无法准确分离，因此，上述看法对块体以及断裂运动的刻画具有片面性或局限性，有待今后进一步研究。

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